課程思政在近代物理實驗課程教學(xué)中的探索
——以“用快速電子驗證相對論效應(yīng)”實驗為例

謝承峰，明 月，唐吉玉,2*

(1.華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.華南師范大學(xué) 物理學(xué)科基礎(chǔ)課實驗教學(xué)示范中心，廣東 廣州 510006)

2016年12月，習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上明確指出“要用好課堂教學(xué)這個主渠道，其他各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)”[1]。2018年，習(xí)近平總書記在全國教育大會上指出：“要努力構(gòu)建德智體美勞全面培養(yǎng)的教育體系，形成更高水平的人才培養(yǎng)體系。要把立德樹人融入思想道德教育、文化知識教育、社會實踐教育各環(huán)節(jié)，貫穿基礎(chǔ)教育、職業(yè)教育、高等教育各領(lǐng)域，學(xué)科體系、教學(xué)體系、教材體系、管理體系要圍繞這個目標(biāo)來設(shè)計，教師要圍繞這個目標(biāo)來教，學(xué)生要圍繞這個目標(biāo)來學(xué)”[2]。依據(jù)國家政策，高校需要堅持將“立德樹人”作為立足點(diǎn)，積極、有效地把課程思政貫穿到教育教學(xué)全過程中?！敖锢韺嶒灐笔俏锢韺I(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是其他理工科的有關(guān)專業(yè)學(xué)生的選修課程。該課程涉及的知識面很廣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、協(xié)作精神和創(chuàng)新意識，并有助于學(xué)生開闊眼界、了解物理學(xué)史[3]。因此，如何將課程思政融入近代物理實驗的教學(xué)過程中，成為了一個值得探討的課題。

1 “課程思政”的內(nèi)涵

“課程思政”是以立德樹人為根本任務(wù)的教育理念與教育實踐，其對象是非思政課程，目標(biāo)是提升育人功效，方法是非思政課程中思政元素的激活與融入[4]。這說明“課程思政”需要在學(xué)生的專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和實踐中，幫助學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀、人生觀和價值觀，為學(xué)生未來的生活奠定堅實的思想基礎(chǔ)，培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞纳鐣髁x建設(shè)者和接班人。

筆者認(rèn)為，“課程思政”的具體建設(shè)內(nèi)容包括但不僅限于以下三個方面：(1).深度挖掘?qū)嶒烅椖勘澈笏N(yùn)含的科學(xué)精神與人文素養(yǎng)，如嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、持之以恒、創(chuàng)新思維、愛國奉獻(xiàn)等；(2)教師要在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和鼓勵學(xué)生獨(dú)立思考、注意知識邏輯、因材施教，從而有意、有機(jī)、有效地對學(xué)生進(jìn)行思想教育和智慧啟迪[4]；(3)“課程思政”要在不改變課程本質(zhì)屬性和保持教學(xué)連貫性的基礎(chǔ)上，在教學(xué)過程中融入德育元素和資源，思政要素的引入不應(yīng)顯得突兀，而是春風(fēng)化雨、潤物細(xì)無聲地滲入科學(xué)精神和人文素養(yǎng)，傳播思政文化，弘揚(yáng)馬克思主義學(xué)風(fēng)。

筆者希望能為國內(nèi)高校的近代物理實驗課程的教學(xué)工作提供些許參考和建議，下文將以我國大多數(shù)高校的近代物理實驗課程中開設(shè)的“用快速電子驗證相對論效應(yīng)”實驗為例，詳細(xì)介紹將“課程思政”融入高校物理實驗教學(xué)的實施方案。

2 課程思政融入近代物理實驗課程的策略

2.1 明確實驗教學(xué)的專業(yè)目標(biāo)

在近代物理實驗課程中開展課程思政是希望實現(xiàn)專業(yè)知識和思政元素的有機(jī)融合，在深入挖掘思想政治元素的同時也需要保證課程專業(yè)內(nèi)容的教學(xué)質(zhì)量，因此教師需要明確教學(xué)的專業(yè)目標(biāo)并圍繞目標(biāo)開展課程思政。

“用快速電子驗證相對論效應(yīng)”實驗是一個檢驗相對論力學(xué)關(guān)系的實驗，通過對快速電子的動量及動能的同時測定來檢驗動量與動能之間的相對論關(guān)系，同時，從中學(xué)習(xí)有關(guān)磁譜儀測量原理，閃爍記數(shù)器的使用方法及一些實驗數(shù)據(jù)處理的理想方法[5]。其專業(yè)目標(biāo)主要包括：(1)了解和掌握相對論中的一些基本概念和基本原理；(2)了解平面半圓形聚焦β譜儀的工作原理和實驗方法；(3)通過對快速電子的動量值和動能值的測定，驗證動量和動能之間的相對論關(guān)系。

2.2 挖掘?qū)嶒灡尘爸械乃颊?/h3>

相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一，顛覆了經(jīng)典力學(xué)時空觀，使整個自然科學(xué)進(jìn)入了一個嶄新的階段，同時愛因斯坦在創(chuàng)立相對論過程中所表現(xiàn)出的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度也值得人們推崇和學(xué)習(xí)。

龐加萊、洛倫茲等當(dāng)時最杰出的物理學(xué)家實際上已經(jīng)徘徊在相對論的“門前”，但由于思維的局限性，導(dǎo)致他們未能向前邁出關(guān)鍵的一步。而愛因斯坦的大膽突破則充分體現(xiàn)了科學(xué)家應(yīng)具備的創(chuàng)新精神：一，摒棄“以太”學(xué)說——思維創(chuàng)新；二，否定牛頓力學(xué)的絕對時空觀——思維創(chuàng)新；三，提出狹義相對論的兩個基本原理——理論創(chuàng)新；四，由兩個基本原理導(dǎo)出洛倫茲坐標(biāo)變換式——方法創(chuàng)新；五，創(chuàng)立相對論——?dú)w納創(chuàng)新[6]。

另外，愛因斯坦創(chuàng)立相對論的過程還體現(xiàn)了尊重實驗成果的科學(xué)態(tài)度和追求真理的科學(xué)精神等思政元素。筆者認(rèn)為，在介紹“用快速電子驗證相對論效應(yīng)”的實驗背景時需要向?qū)W生傳達(dá)相對論創(chuàng)立過程中愛因斯坦的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)發(fā)展觀。

2.3 突出科技重要性，讓愛國主義融入實驗課堂

在介紹相對論應(yīng)用中，可以通過 “銀河號”事件和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，讓學(xué)生明白在科技領(lǐng)域的“卡脖子”問題是亟待解決的，并順勢介紹我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所取得的突出成就和國際貢獻(xiàn)，還可以講述中國科學(xué)家研發(fā)北斗系統(tǒng)過程中體現(xiàn)的奉獻(xiàn)精神和民族智慧，幫助學(xué)生樹立民族自信和文化自信，并倡導(dǎo)學(xué)生掌握理論知識，為科技興國和民族復(fù)興貢獻(xiàn)一份力。

除北斗系統(tǒng)外，新中國成立之初研發(fā)核武器的艱辛過程中也蘊(yùn)含了許多的思政元素。錢學(xué)森、鄧稼先等科學(xué)家放棄國外優(yōu)越的條件，不顧阻撓依然回國建設(shè)，為我國核武器事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。黃旭華、于敏等先輩隱姓埋名三十載，寂然無名，在環(huán)境艱苦的戈壁灘為祖國事業(yè)傾盡心血。通過弘揚(yáng)老一輩物理學(xué)界獻(xiàn)身祖國、艱苦奮斗的精神，點(diǎn)燃學(xué)生的民族自豪感和激發(fā)學(xué)生科技報國的意志。

3 課程思政在教學(xué)中的實踐應(yīng)用

3.1 精心做好實驗準(zhǔn)備工作

教師在上課之前精心準(zhǔn)備實驗環(huán)境，確保實驗場地干凈整潔，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，儀器擺放規(guī)整，并提早在實驗室等候，這在學(xué)生看來是教師以身作則的表現(xiàn)，展現(xiàn)了教師一絲不茍、精益求精的工作態(tài)度。實驗前，教師可要求學(xué)生事先做好預(yù)習(xí)報告否則會有相應(yīng)懲罰，以此培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成提前預(yù)習(xí)的學(xué)習(xí)習(xí)慣；還需向?qū)W生說明實驗室的規(guī)章制度，強(qiáng)化學(xué)生的安全規(guī)范操作意識，并告誡學(xué)生實驗結(jié)束后需關(guān)閉電源、整理儀器、保證實驗場地整潔，從而培養(yǎng)學(xué)生守紀(jì)律、講規(guī)矩的良好品德。

3.2 相對論的創(chuàng)立背景講述

在講解實驗原理前的序言部分或者課堂引入環(huán)節(jié)，可以詳細(xì)講述相對論的創(chuàng)立背景以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和拓寬學(xué)生的知識儲備，并帶領(lǐng)學(xué)生一起學(xué)習(xí)愛因斯坦的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神。

在19世紀(jì)，麥克斯韋電磁理論認(rèn)為傳播光和電磁波的介質(zhì)是“以太”?！耙蕴奔染哂须姶诺男再|(zhì)，又是電磁作用的傳遞者，并具有機(jī)械力學(xué)的性質(zhì)，它是絕對靜止的參考系，一切運(yùn)動都相對于它進(jìn)行。這樣，電磁理論與伽利略變換和相對性原理取得協(xié)調(diào)一致?！耙蕴笔枪?、電、磁的共同載體的概念為當(dāng)時的物理學(xué)界所認(rèn)同并接受，但并沒有實驗證據(jù)證明“以太”存在[7]。1887年的邁克爾遜-莫雷實驗的零結(jié)果宣告了尋找“以太”失敗，此后許多科學(xué)家提出各種假說理論企圖解釋邁克爾遜-莫雷實驗的零結(jié)果，并做了大量工作來拯救“以太”[8]，而愛因斯坦則大膽摒棄了“以太”理論。

愛因斯坦接受了奧地利物理學(xué)家馬赫的思想，即“凡不能由實驗證實的概念和陳述，都不應(yīng)在物理學(xué)中占有任何地位”，于是他拋棄當(dāng)時物理學(xué)家們堅守的“以太”理論，否定絕對參考系的存在，修改伽利略變換，并提出狹義相對論的兩個基本原理：相對性原理和光速不變原理，采用洛倫茲時空變換來協(xié)調(diào)相對性原理與電磁理論[7]。1905年6月，愛因斯坦發(fā)表了狹義相對論的奠基性論文《論動體的電動力學(xué)》，提出了新的時空觀念，成為經(jīng)典物理學(xué)的顛覆者。此后愛因斯坦繼續(xù)鉆研、致力于將相對論推廣至非慣性系，于1915年完成廣義相對論，并在次年正式發(fā)表。至此，愛因斯坦成功創(chuàng)立相對論。在相對論這種突破性理論的創(chuàng)立過程中，面對邁克爾遜-莫雷實驗的結(jié)果，大多數(shù)科學(xué)家堅信沒有實驗依據(jù)的“以太”理論、抱著傳統(tǒng)時空觀不放，而愛因斯坦未拘囿于已有的概念和理論，根據(jù)實驗事實而大膽突破了傳統(tǒng)思維模式的禁錮、勇于質(zhì)疑絕對的時空觀，最終能在科學(xué)上取得開創(chuàng)性的突破。他尊重實驗成果的科學(xué)態(tài)度以及批判性的創(chuàng)新思維都極大地影響著后來的科學(xué)家們。

一百多年來，愛因斯坦的相對論幾乎得到所有天文觀測和實驗的支持，為了慶祝愛因斯坦在1905年首先發(fā)表的關(guān)于狹義相對論的傳奇論文100周年，2005年已被稱為“世界物理年”。相對論的創(chuàng)立故事深刻的啟示了，事物的關(guān)鍵性突破需要的不是墨守成規(guī)的附庸者，而是追求真理不斷創(chuàng)新的開拓者。

另外，正是由于邁克爾遜-莫雷實驗的零結(jié)果與“以太”理論的矛盾，愛因斯坦才能推陳出新、最終實現(xiàn)電磁理論與經(jīng)典力學(xué)理論統(tǒng)一的綜合創(chuàng)新。可見事物的變化和發(fā)展是由矛盾驅(qū)動的，矛盾是事物發(fā)展的源泉與動力，舊理論所蘊(yùn)含的矛盾往往為創(chuàng)立新理論提供出發(fā)點(diǎn)。這就是辯證唯物主義的對立統(tǒng)一規(guī)律，啟發(fā)在未來的學(xué)習(xí)和生活中，要相信眼前的困難和矛盾正是黎明前的黑暗，敢于正視它們，因為解決問題的突破性進(jìn)展就隱藏在這些矛盾之中。正如愛因斯坦所說：“通向人類真正偉大境界的道路只有一條——苦難的道路。”

3.3 相對論實際應(yīng)用的介紹和拓展

由于日常生活在宏觀低速的世界中，相對論效應(yīng)無法體現(xiàn)，所以學(xué)生可能會對學(xué)習(xí)相對論的目的感到不解，教師可通過相對論的時空效應(yīng)和質(zhì)能關(guān)系在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、原子彈、粒子加速器等例子中的應(yīng)用來闡述學(xué)習(xí)相對論的重要性。其中可以具體講解早已深入人們生活的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，除了講授GPS導(dǎo)航的定位原理、時鐘延緩效應(yīng)外，還可以引申1993年的中國“銀河號”事件——中國“銀河號”貨輪正常行駛到印度洋公海時，貨輪導(dǎo)航系統(tǒng)因美國關(guān)閉“銀河號”貨輪附近的GPS信號而失靈，導(dǎo)致貨輪無法繼續(xù)航行而受困于萬里外的大海長達(dá)33天，無奈下中國只好接受了美國無理的登船檢查要求[9]。另外，自19世紀(jì)末的海灣戰(zhàn)爭開始，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的戰(zhàn)略地位與日俱增，所以中國決定：無論付出多大代價，都要建立自己的導(dǎo)航系統(tǒng)，也就是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

通過實例讓學(xué)生明白，擁有自主建設(shè)研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對國家的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和公共安全是何等重要，正如習(xí)近平總書記所說：“真正的大國重器，一定要掌握在自己手里”，從而激發(fā)學(xué)生的報國斗志和學(xué)習(xí)熱情。并順勢向?qū)W生介紹我國北斗系統(tǒng)的研發(fā)歷程及取得的重要成就，讓學(xué)生從中體會中國科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)、愛國奉獻(xiàn)的精神和中華民族睿智勤奮、勇于探索的品質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生對中國科學(xué)技術(shù)發(fā)展史的了解和認(rèn)同，激發(fā)民族自豪感和社會責(zé)任感。

3.4 實驗過程指導(dǎo)

3.4.1 定標(biāo)和抽真空

實驗過程中進(jìn)行定標(biāo)操作時，學(xué)生們一般會有疑惑：兩點(diǎn)就可以確定一條直線，為什么不是測量兩組數(shù)據(jù)來進(jìn)行定標(biāo)而是要測量三組數(shù)據(jù)？這是因為兩點(diǎn)連成的定標(biāo)直線可能會導(dǎo)致擬合數(shù)據(jù)和實際偏差較大，因此需要第三個點(diǎn)來矯正誤差，以三組數(shù)據(jù)確定的定標(biāo)直線可以有效降低實驗誤差。另外，學(xué)生們也往往會遺忘對真空室進(jìn)行抽真空，導(dǎo)致電子出射后會和空氣分子發(fā)生碰撞損失能量，造成較大的實驗誤差。

針對以上兩點(diǎn)，教師需要在實驗過程對學(xué)生進(jìn)行提醒和指導(dǎo)。在解釋“測量三組數(shù)據(jù)來定標(biāo)”和“抽真空”操作的原因的同時，教師還需教導(dǎo)學(xué)生不可貪圖方便而省略看似“無用”的實驗操作，這可能會大大影響實驗結(jié)果的置信度，幫助學(xué)生建立嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的治學(xué)精神。

3.4.2 測量60Co的γ能譜

在測量60Co的γ能譜時，若需1.33MeV光電峰的峰頂計數(shù)達(dá)到400(或1 000)以上，一般耗時在90分鐘以上，這對于學(xué)生來說等待時間是比較長的，他們往往會顯得焦躁、郁悶。教師需要及時向?qū)W生點(diǎn)明恒心與毅力對于科研的重要性，也可以列舉科學(xué)家的例子來佐證“耐心是高尚的秉性，堅韌是偉大的氣質(zhì)”，例如居里夫婦通過3年多的奮斗，經(jīng)過十萬多次分布結(jié)晶和處理數(shù)噸礦渣才得到0.12 g純RaCl2，號召學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家們在科學(xué)探索中表現(xiàn)出的驚人耐心和堅韌不拔的毅力。

3.5 科學(xué)規(guī)范書寫實驗報告

在書寫實驗報告時，強(qiáng)調(diào)實驗報告的規(guī)范性和科學(xué)性。學(xué)生除了自行總結(jié)實驗結(jié)果外，還需要對結(jié)果進(jìn)行誤差分析并對實驗提出自己的疑問和思考，最后再通過合適的渠道成功解決問題，這可以培養(yǎng)學(xué)生分析整理和寫作能力、發(fā)散性的科學(xué)思維與解決問題的能力。實驗報告的書寫要求認(rèn)真仔細(xì)、字跡工整、數(shù)據(jù)真實、圖表規(guī)范，嚴(yán)禁抄襲和修改數(shù)據(jù)，弘揚(yáng)求真務(wù)實的工作作風(fēng)。同時要求學(xué)生按時提交實驗報告，以助學(xué)生養(yǎng)成守時守約的觀念。

4 結(jié) 語

本文以“用快速電子驗證相對論效應(yīng)”實驗為例，對課程思政融入近代物理實驗進(jìn)行了案例研究。以物理實驗內(nèi)容為載體，在教授學(xué)生專業(yè)知識的同時滲透思想與政治教育，實現(xiàn)促進(jìn)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和德育素養(yǎng)全面發(fā)展的教育目的。案例中主要通過五個環(huán)節(jié)對學(xué)生進(jìn)行思政教育。第一，教師精心進(jìn)行實驗準(zhǔn)備，向?qū)W生展現(xiàn)一絲不茍的工作態(tài)度，并教導(dǎo)學(xué)生實驗室規(guī)章制度，培養(yǎng)學(xué)生守紀(jì)律、講規(guī)矩的良好品德；第二，通過講解相對論的創(chuàng)立過程幫助學(xué)生了解愛因斯坦的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神，啟發(fā)學(xué)生追求真理、勇于創(chuàng)新，并認(rèn)識辯證唯物主義的對立統(tǒng)一規(guī)律，鼓勵學(xué)生敢于面對學(xué)習(xí)和生活中的困難；第三，通過相對論在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用和中國科學(xué)家艱苦攻關(guān)的故事，向?qū)W生宣揚(yáng)愛國主義思想，激發(fā)學(xué)生的報國意志，號召學(xué)生努力學(xué)習(xí)；第四，在實驗過程中既幫助學(xué)生解決疑惑也不著痕跡地培養(yǎng)學(xué)生的科研品質(zhì)，幫助學(xué)生建立嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的治學(xué)精神；第五，強(qiáng)調(diào)實驗報告的規(guī)范性和科學(xué)性，弘揚(yáng)求真務(wù)實的工作作風(fēng)。

總之，近代物理實驗的課程思政任重而道遠(yuǎn)，仍需教師繼續(xù)探索和實踐。這需要教師深度挖掘每一個實驗項目的思政素材，并在恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)滲透思政教育，將思政之“鹽”溶入近代物理實驗教學(xué)之“湯”，潛移默化地把愛國敬業(yè)、科技強(qiáng)國、創(chuàng)新興邦、無私奉獻(xiàn)、砥礪前行、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)等多種美好思政理念根植于學(xué)生的心田。